2.
3.1 Tổng quan về lực kế
3.1.1 Các yêu cầu của lực kế
Việc biết đƣợc các lực cần thiết cho quá trình tạo hình đƣợc thành công luôn luôn quan trọng, chủ yếu để lựa chọn thiết bị thích hợp, để dự đoán và tránh hƣ hỏng dụng cụ tạo hình, hƣ hỏng chi tiết gia công, các lực cần thiết để tạo hình gia tăng nên đƣợc xác định. Trong một số tài liệu kỹ thuật đo lực còn để đề phòng quá tải dụng cụ. Một số tài liệu có ghi, một cán dao đặc biệt có thể bù khi tải quá cao. Điều này đặc biệt quan trọng nếu vật đỡ (support) làm từ kim loại cứng đƣợc sử dụng, và khoảng cách giữa dụng cụ và vật đỡ là nhỏ [23].
Quá trình gia công kim loại đƣợc đặc trƣng chủ yếu là bởi những thay đổi nhanh chóng của các yếu tố định lƣợng. Những thay đổi riêng lẻ này không xảy ra trong sự cô lập và chúng ảnh hƣởng lẫn nhau. Việc phân tích những thay đổi này đòi hỏi phải nghiên cứu các hệ thống phức tạp theo tình hình thực tế của chúng. Nghiên cứu các quá trình cắt nhƣ tiện và doa các khía cạnh động lực học là rất quan trọng. Xu hƣớng đo lƣờng lực cắt trong gia công dẫn đến nhiều lý thuyết và các vấn đề thực tế. Vấn đề lý thuyết kết hợp chủ yếu với sự lựa chọn một kỹ thuật phù hợp để đo lƣờng, và các phƣơng pháp thống kê để phân tích các thành phần của lực cắt đƣợc xác định trong thời gian thực [23].
Mối quan hệ đặc trƣng giữa lực cắt hoặc lực gia công trong SPIF của dụng cụ tác dụng lên chi tiết tại một điểm theo 3 phƣơng đƣợc xác định theo công thức:
2 2 2
x y z
F F F F (3.1)
Các nhà nghiên cứu quen thuộc trong lĩnh vực này biết là không thể đo trực tiếp các lực cắt và biên độ của chúng tại thời điểm chúng xuất hiện. Thiết bị đo đạc đƣợc chọn cho các thí nghiệm để đo các lực độc lập và liên quan đến dịch chuyển tại thời điểm tác dụng [23].
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 49 Lực cắt phụ thuộc chặt chẽ vào chất lƣợng và độ nhạy của thiết bị đo lƣờng sử dụng. Ngoài ra còn có ảnh hƣởng của các yếu tố liên quan đến tƣơng tác với độ cứng tĩnh của các mối lắp trong hệ thống dụng cụ-phôi- máy. Để có đƣợc các phép đo thực, cần xem xét nghiêm khắc nếu dữ liệu thu đƣợc do những hạn chế của phép đo và kỹ thuật đánh giá đƣợc sử dụng, tính lặp lại và độ chính xác [23].
Theo tiêu chuẩn Anh BS5233-Thuật ngữ điều kiện sử dụng trong đo lƣờng đƣợc đƣợc định nghĩa là:
1. Sai số đo lƣờng: bất kỳ sự bắt đầu nào từ một tiêu chuẩn đƣợc chấp nhận do không hoàn hảo trong bất kỳ phần nào của hệ thống đo lƣờng.
2. Độ chính xác: sự chặt chẽ các phép đọc với tiêu chuẩn đƣợc chấp nhận.
3. Độ lặp lại: tính lặp lại của cá nhân đọc giá trị thực của phép đo, sự chặt chẽ giữa con số của các phép đo đƣợc thực hiện cùng một lúc.
4. Độ tin cậy: sự tin tƣởng của phép đo bị ảnh hƣởng bởi các yếu tố ngẫu nhiên không kiểm soát đƣợc.
5. Khả năng tái tạo: sự chặt chẽ của phép đo cùng con số thu đƣợc ở các lần đo khác nhau.
6. Độ phân tán: độ lệch từ giá trị thực của phép đọc chính xác.
3.1.3 Tổng quan các cảm biến 3.1.3.1 Cảm biến vòng tám cạnh
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 50 Sơ đồ hệ thống đo lực đƣợc trình bày trên hình 3.1. Lực kế đƣợc thiết kế bao gồm các thành phần: phần tử đàn hồi, cảm biến biến dạng, mạch cầu Wheatstone, mạch khuyếch đại. Lực kế đƣợc đặt trên bàn máy, chi tiết gia công đƣợc định vị và kẹp chặt phía trên lực kế sẽ chịu tác động của lực trong quá trình gia công truyền qua phôi đến các phần tử đàn hồi. Cảm biến nhận tín hiệu lực đƣợc sử dụng là cảm biến biến dạng sẽ biến dạng cùng với các phần tử đàn hồi làm thay đổi điện trở mạch cầu Wheatstone, làm mất cân bằng mạch cầu, dẫn đến sự thay đổi điện áp. Card thu nhận dữ liệu PCL-812PG sẽ chuyển giá trị điện áp thay đổi từ cầu Wheatstone đã đƣợc khuyếch đại thành tín hiệu số. Việc thu nhận, xử lý hiển thị kết quả lực cắt đƣợc thực hiện trên máy tính thông qua phần mềm DASYLab [24].
Vòng tám cạnh đƣợc dùng làm phần tử đàn hồi của lực kế phay vì những ƣu điểm của nó so với vòng tròn, cụ thể là vòng tám cạnh có độ cứng tốt hơn vòng tròn. Để bảo đảm đƣợc tính liên tục, tuyến tính và sự lặp lại trong khi đo, các vòng tám cạnh đƣợc chế tạo từ vật liệu đồng nhất. Vòng tám cạnh phải đảm bảo tính đối xứng, chất lƣợng bề mặt và độ chính xác cao. Sự đối xứng của vòng đàn hồi sẽ tạo ra các đƣờng song song cho dòng nhiệt và do đó các điểm ở vị trí đối diện của vòng đàn hồi sẽ có cùng nhiệt độ.
Hai chỉ tiêu quan trọng của lực kế là độ cứng vững và độ nhạy. Để có thể đạt đƣợc độ nhạy cao thì vòng tám cạnh cần phải đƣợc thiết kế và đặt ở vị trí bị biến dạng nhiều nhất bởi các thành phần lực đo. Cảm biến biến dạng đƣợc dán trên vòng tám cạnh nơi mà nó sẽ bị kéo hoặc nén lớn nhất. Từ các phân tích ở trên, các cảm biến biến dạng đƣợc dán trên vòng tám cạnh ở vị trí nhƣ hình 3.2.
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 51
Hình 3.2 Vị trí dán cảm biến biến dạng trên vòng tám cạnh.
Bốn vòng tám cạnh đƣợc bố trí để đo lực theo 3 phƣơng độc lập với nhau. Vị trí của 4 vòng tám cạnh trên 2 tấm trên và dƣới đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.3.
Hình 3.3 Vị trí 4 vòng tám cạnh
Khi chịu lực tác dụng, mạch cầu Wheatstone cho ra một điện áp rất nhỏ. Do đó, trƣớc khi đƣợc chuyển đổi tƣơng tự /số (A/D), tín hiệu này cần phải đƣợc khuếch đại. Trên hình 3.24 là sơ đồ đơn giản của mạch khuyếch đại đƣợc sử dụng trong hệ thống đo lực. Ƣu điểm của mạch khuyếch đại này là trở kháng lối vào rất cao, khử đƣợc nhiễu do nhiệt độ của điện trở lối vào, độ không tuyến tính của hệ số khuyếch đại không đáng kể, và việc thiết lập hệ số khuyếch đại rất đơn giản.
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 52
3.1.3.2 Cảm biến sử dụng strain gauges khác 3.1.3.2.1 Thiết kế dụng cụ 3.1.3.2.1 Thiết kế dụng cụ
Đối với các thử nghiệm về ma sát, cần sử dụng một vài đƣờng kính để lƣợng hóa ảnh hƣởng của đƣờng kính dụng cụ lên ma sát. Dụng cụ ban đầu đƣợc thiết kế bởi Alex Szekeres, ban đầu, nó chỉ sử dụng dụng cụ có đƣờng kinh 12,7 mm để tạo hình. Trục dụng cụ đƣợc thiết kế nhƣ hình 3.4 có thể đỡ đƣợc vài dụng cụ có đƣờng kính giống nhau bằng cách thay thế đầu và vai định vị. Nó đƣợc chế tạo từ thép dụng cụ O1, vật liệu này có khả năng chịu đƣợc biến dạng ở nhiệt độ cao. Hơn nữa, độ cứng của nó cao (63 HRC) và độ chịu mài mòn cho phép duy trì bề mặt tạo hình của nó trong thời gian lâu hơn. Đầu tạo hình có thể thay thế đƣợc đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.5 bên dƣới. Sự khác nhau giữa đầu bán cầu là đƣờng kính của chúng nằm trong khoảng 4,7626; 6,35 và 9,525 mm [21].
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 53 Khi tìm hiểu hiệu ứng springback trong quá trình tạo hình tấm bằng SPIF [3], các tác giả Hongyu Wei, Wenliang Chen, and Lin Gao cũng lƣu ý đến hiện tƣợng biến dạng của dụng cụ khi chịu các lực tác dụng hƣớng kính và hƣớng tâm đƣợc minh họa nhƣ hình 3.6 bên dƣới.
Hình 3.6 Sơ đồ mô tả biến dạng của dụng cụ
Biến dạng này đƣợc tính theo công thức:
3 3 r F l x EI (3.6)
Trong đó: x: biến dạng do lực Fr gây ra l: chiều dài công xông của dụng cụ
E: mô đun đàn hồi của dụng cụ
I : mômen quá tính của trục theo phƣơng uốn
Lực tới hạn mà dụng cụ có thể chịu đƣợc Pth=Fn max
2 2 4 th EI P l (3.7) 3.1.3.2.2 Thiết kế cảm biến
Hình 3.7 là kết cấu của dụng cụ để thiết kế cảm biến ban đầu. Dụng cụ này đƣợc dùng để ghi lại biến dạng trong phƣơng pháp SPIF, một thành phần dọc trục và hai thành phần gây uốn. Mặc dầu nó tạo kết quả duy nhất, tuy nhiên vẫn có nhiều chi
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 54 tiết của hệ thống đo có vấn đề nghiêm trọng. Thiết kế đầu tiên dùng vòng trƣợt để kích thích mạch cầu Wheatstone và tín hiệu ra thông qua dây dẫn bị trễ. Thiết kế này hiệu quả về giá trị ở thời điểm tạo ra tín hiệu nhƣng cũng bị ảnh hƣởng bởi nhiễu. Tiếp xúc của chổi quét rôto trong vòng trƣợt là nguồn gây nhiễu chính. Tần số nhiễu và biên độ tăng lên khi tốc độ của trục chính tăng lên. Điều này đƣợc phát hiện trong nghiên cứu của Szekeres. Với những kết quả này, trục chính cần quay ở tốc độ khoảng 1500 (vòng/phút). Tốc độ này đạt tối đa khoảng 2000 (vòng/phút) đối với vòng trƣợt cơ và sẽ dần dần dẫn đến hƣ hỏng do mòn. Mặc dù cáp có vỏ bọc đƣợc sử dụng để làm giảm bớt nhiễu do dây dẫn, nhƣng nhiễu vẫn tiếp tục tồn tại do sự hiện diện của các cơ cấu điện và từ trƣờng trong bộ chuyển đổi vùng lân cận, có thể loại bỏ hoàn toàn một số nhiễu bằng bộ điều phối tín hiệu Vishay model 2010. Những bộ điều phối này làm việc tƣơng đối tốt để tạo ra sự kích thích cũng nhƣ tín hiệu tƣơng tự đến. Tuy nhiên mỗi băng tần có giá thành khá cao so với những lợi ích thu đƣợc từ việc sử dụng chúng. Chúng cũng đƣợc yêu cầu kết nối bằng cáp mà cáp thì rất không lý tƣởng trong môi trƣờng có dụng cụ quay ở vận tốc cao [21].
Điều quan tâm đến bộ mã hóa đầu tiên là trọng lƣợng và kích cỡ. Chúng thêm vào một trọng lƣợng 1,1 kg cho trục chính trong khi thêm 50 mm vào chiều dài trục. Với trọng lƣợng thêm vào này, dụng cụ vƣợt quá trọng lƣợng đề nghị đối với trục chính máy phay. Một vài thay đổi đƣợc thực hiện với dụng cụ có sẵn để cải thiện hiệu quả và chất lƣợng tín hiệu.
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 55
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 56
3.1.3.2 Cảm biến áp điện
Lực kế áp điện là hệ thống phổ biến nhất để đo lực cắt.
3.1.3.2.1 Nguyên lý làm việc
Chuyển đổi áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện. Có một số vật liệu khi chịu tác dụng của một lực cơ học biến thiên thì trên bề mặt của nó xuất hiện các điện tích, khi lực tác dụng ngừng thì các điện tích trên cũng biến mất, hiện tƣợng đó gọi là hiệu ứng
áp điện thuận. Ngƣợc lại, nếu đặt các vật liệu trên trong điện trƣờng biến thiên thì
điện trƣờng tác động lên chúng làm chúng bị biến dạng, hiện tƣợng đó gọi là hiệu ứng
áp điện ngược [25].
Hiệu ứng theo chiều dọc, lƣợng điện tích có trên bề mặt tinh thể, độ lớn của Qx
phụ thuộc vào lực tác dụng và độ nhạy của tinh thể theo hƣớng của trục tƣơng ứng, khi độc lập hình học của tinh thể. Khả năng duy nhất để tăng điện tích trên cảm biến là kết nối nhiều lớp và hay là mắc song song thể hiện trong hình 3.8a. Phƣơng trình (3.8) tóm tắt hiệu ứng theo chiều dọc theo chiều dọc:
1
x x
Q s F n (3.8)
Trong đó Qx là điện tích tính bằng pC, st là độ nhạy của tinh thể theo hƣớng t đƣợc trình bày bằng pC, Fx là lực tính bằng N và N là số đĩa tinh thể. Tinh thể đƣợc cắt bằng kỹ thuật sao cho nhạy theo phƣơng lực nén.
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 57 Nhƣ trƣớc đó, hiệu ứng trƣợt là độc lập với hình học phần tử áp điện. Điện tích này cũng xuất hiện trên bề mặt của tinh thể nhƣ trong hình 3.8. Xem xét một lực tác dụng theo phƣơng x đến n phần tử kết nối cơ học, điện tích đƣợc tính là:
1
2
x x
Q s F n (3.9)
Trong đó Qx là điện tích tính bằng pC, st là độ nhạy của tinh thể theo hƣớng t đƣợc trình bày bằng pC/N, Fxlà lực tính bằng N và N là số đĩa tinh thể.
Thay vì hiệu ứng nằm ngang phụ thuộc hình học của các phần tử áp điện và nếu lực Fy tác dụng theo phƣơng y nó sẽ tạo ra điện tích trên bề mặt vuông góc với trục x. Sự phụ thuộc giữa lực và điện tích đƣợc thể hiện bằng công thức:
x t b b
Q s F
a (3.10)
Trong đó Qx là điện tích tính bằng pC, st là độ nhạy của tinh thể theo hƣớng t đƣợc trình bày bằng pC/N. Fy là lực tính bằng N, a và b là kích thƣớc thông số của tinh thể nhƣ trên hình 3.8. Hiệu ứng nằm ngang cho phép làm tăng điện tích ngõ ra theo hình dạng của phần tử, kỹ thuật này đƣợc dùng để đạt đƣợc độ nhạy cao trong cảm biến đo lực.
Những ƣu điểm chính của cảm ứng áp điện đƣợc tóm tắt theo những ý dƣới đây:
- Độ cứng cao và do đó tần số cao;
- Phạm vi đo rộng;
- Độ tuyến tính cao và trễ không đáng kể;
- Độ nhạy cao và không đổi trong một phạm vi đo rộng;
- Thiết kế nhỏ gọn;
- Không giới hạn số chu kỳ tải;
Trên thị trƣờng có nhiểu kiểu cảm biến đo lực khác nhau và lực kế dựa trên nguyên lý áp điện. Một thành phần cảm biến lực duy nhất đƣợc gắn ở hai vị trí lắp sẵn đĩa thạch anh, kẹp giữa hai tấm mịn đƣợc gia công và song song nhau. Một điện cực đặt giữa hai tấm thạch anh đo tín hiệu đầu ra. Thay vào đó là 3 thành phần cảm biến lực cần thiết cắt giảm vòng thạch anh cho hiệu quả theo chiều dọc để đo lƣờng
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 58 Fz thành phần vuông góc và hai vòng thạch anh đƣợc cắt tạo hiệu ứng trƣợt để đo thành phần Fx. Chúng đƣợc kết hợp trong một trƣờng hợp duy nhất mà kết quả là 3 thành phần cảm biến (hình 3.8). Bởi vì lực gia công đƣợc truyền đi nhờ ma sát vòng đã đƣợc cài đặt sẵn.
Hình 3.9 thể hiện cảm biến áp điện nhiều thành phần loại 9017B và 9251A đƣợc sản xuất bởi Kisler chúng là những sản phẩm với phạm vi đo thấp nhất của loại này. Cảm biến loại 9017B có phạm vi đo ±1 kN theo phƣơng x và y, ±2 kN theo phƣơng z, độ nhạy -26 pC/N theo phƣơng x và y, -11,5 pC/N theo phƣơng z áp dụng cho tải đặt sẵn 10 kN.
Hình 3.9 Cảm biến lực 3 thành phần, vòng thạch anh độ nhạy trượt và độ nhạy nén.
3.1.3.2.2 Mạch khuyếch đại
Bộ khuyếch đại dòng chuyển đổi dòng tạo ra bởi một cảm biến áp điện tỷ lệ thuận với điện áp, đƣợc sử dụng nhƣ là một biến đầu vào để theo dõi và kiểm soát quy trình. Một bộ khuyếch đại về cơ bản bao gồm một bộ khuyếch đại điện áp đảo vòng mở và điện dung phản hồi âm. Bộ khuyếch đại có một transistor hoặc một hiệu ứng trƣờng transistor (JFET) tại đầu vào của nó để tạo ra điện trở cần thiết và đảm bảo tối thiểu dòng rò [26].
Bỏ qua Rt và Ri, kết quả đầu ra điện áp sẽ trở thành:
- 1 (3.11) 1 1 ( ) o r t r r r Q U C C C C AC
HVTH: Đinh Văn Đức Trang 59 Nếu hệ số khuyếch đại vòng mở đủ cao, thƣơng 1/ACr sẽ tiến đến không. Ảnh hƣởng của dây cáp và bộ cảm biến có thể do đó đƣợc bỏ qua, điện áp rơi chỉ phụ